(57)【要約】【課題】無機物の蛍光体物質に直流電圧を印加することにより発光させることができ、蛍光体層中に分散する発光中心または、蛍光体の種類を変えることにより、発光色を適当に変化させることができる電界発光素子を提供する。【解決手段】直流駆動発光素子の内部に半導体でＮＰＮ型の構造を形成し、それに隣接して蛍光体物質を蒸着した後、第１の電極と第２の電極で挟んだ構造の電界発光素子を作る。この構造を利用して、陰極側のＰＮ接合に順方向電圧を加えＰ型半導体層内へ電子を注入する。さらにＰ型半導体層とＮ型半導体の加速層によって形成されているＰＮ接合部を、逆バイアスすることにより加速層内部に広がる空乏層の電場を利用して、電子を加速し、発光中心または蛍光体に衝突させ、発光を得る方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のガラス基板上に形成され陰極となる第１の電極と、この第１の電極に対向して配置され陽極となる第２電極との間に無機物からなる蛍光体層を挟んだ構造の無機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記第１の電極である陰極と前記蛍光体層との間に、無機物の半導体材料で構成されたＮ型半導体とＰ型半導体をＮＰＮ型に接合した半導体構造を有することを特徴とする無機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
前記蛍光体層は、前記Ｎ型半導体材料中に発光中心又は蛍光物質を分散、混在させた膜によって形成されることを特徴とする請求項１記載の無機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記ＮＰＮ型に接合した半導体構造における陰極側のＮ型半導体の材料がＺｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃｄ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｇｄの酸化物、硫化物、リン化物、窒化物、セレン化物もしくはこれらの混合物のいずれかから構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記ＮＰＮ型に接合した半導体構造において中間に存在するＰ型半導体の材料がＮｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｓｎ，Ａｌの酸化物、硫化物、セレン化物もしくはこれらの混合物のいずれかから構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の無機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
前記ＮＰＮ型に接合した半導体構造における蛍光体と隣接するＮ型半導体の材料がＺｎ，Ｂａ，Ｓｒ、Ｃｄ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｇｄの酸化物、硫化物、リン化物、窒化物、セレン化物もしくはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の無機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の無機エレクトロルミネッセンス素子と、これを駆動する直流電源と、を有することを特徴とする無機エレクトロルミネッセンス発光装置。
【請求項７】
直流駆動の無機エレクトロルミネッセンス素子の発光方法であって、前記無機エレクトロルミネッセンス素子の内部に、第１及び第２のＮ型半導体とＰ型半導体を用いてＮＰＮ型の三層構造を作成し、このＮＰＮ型の三層構造において陰極側の前記第１のＮ型半導体とＰ型半導体から構成されるＰＮ接合部に順方向電圧を印加することで前記Ｐ型半導体内に電子を注入し、さらに前記Ｐ型半導体と前記第２のＮ型半導体とで構成されるＰＮ接合部を逆バイアスすることで、このＰＮ接合部に空乏層を形成させ、この空乏層の部分の電場を利用し、前記Ｐ型半導体を通し注入された電子を加速して、前記第２のＮ型半導体に隣接する蛍光体層に分散、混在させた発光中心又は蛍光物質に衝突、発光させることを特徴とする無機エレクトロルミネッセンス素子の発光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無機エレクトロルミネッセンスと呼ばれる現象を利用したもので、無機物を発光の材料に使用して電気から光へ変換するための無機エレクトロルミネッセンス素子とその素子を利用した発光装置と発光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面状の発光が得られる自発光素子としては、現在のところ有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子ということもある）と無機エレクトロルミネッセンス素子（以下、無機ＥＬ素子ということもある）がある。
有機ＥＬ素子は有機物中に電流を流すために、寿命が短いことと、高い温度に対して弱いことが問題となっている。
その反面、無機ＥＬ素子は高温に強いことや、寿命が永いことなど多くの有利な特徴を有しており、実用化に向けて数多く研究がなされてきたが、これらの研究の多くは交流電源で励起発光するものである。そのため交流励起ＥＬ素子のデメリットを回避するため、直流駆動で発光が得られる素子が切望されている。
【０００３】
無機ＥＬ素子は、硫化物系の蛍光体材料が多く使用されており、これらの素子の駆動の方法は、ほとんどが交流、または両極性のパルス電圧である。この無機ＥＬ素子は図８のように蛍光体材料をガラス基板２１上で、蒸着法を利用して薄膜化して蛍光体層２３を形成させ、その上下を絶縁層２５で挟み、さらに下部透明電極２２と上部背面電極２４で挟んだ構造をしている。このため直流の電流は流れず素子に１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度の交流電圧を交流電源２６から印加して発光させている。
印加電圧の最初の半サイクルで蛍光体の内部で電子を加速して、発光中心に衝突させ発光し、次の反転した半サイクルで反対の方向へ電子を加速、衝突させ再び発光させるものである。このように交流での発光は１サイクル中で２回の発光を起こし、連続したものではない。
このＥＬの現象を連続して起こさせることができれば、発光の効率も高くなり、より強い発光が得られる可能性がある。そこで、定常的な発光を得るためには、発光素子を直流の電源で駆動し、常時、電子を供給し続ける必要がある。
【０００４】
直流駆動の無機ＥＬ素子は分散型のＥＬ素子として、１９６８年に発表され、１９７０年頃からは真空蒸着法によって、薄膜型の直流駆動ＥＬ素子が研究されるようになってきた。この直流駆動ＥＬ素子は研究が数多くなされているにもかかわらず、発光が弱く寿命が短いため、いまだ実用的な素子としては開発されていない。
従来からの直流駆動ＥＬ素子の基本的な構造は、透明電極と背面の金属電極との間に、直接蛍光体を挟んだものである。これは直流電流を蛍光体内部に流すため、電極から電荷を直接蛍光体に注入する必要があり、蛍光体と電極を直接接触させている。ところがこの構造では、流れる電流が不安定で、ある一定の電圧以上になると急激に電流が流れ、素子の破壊を招きやすい性質がある。
【０００５】
このため従来の直流駆動無機ＥＬ素子は、図９に示されるような構造の改良がなされている（非特許文献１）。図９に示される直流駆動無機ＥＬ素子では、ガラス基板２１上に設置された下部透明電極２２と上部背面電極２４に直流電源２８を接続し、蛍光体層２３と上部背面電極２４の間に安定化層２７を挿入する構成となっている。この安定化層２７を設けることで流れる電流を制限して、素子の安定化を図っている。
ところがこの構造では安定化層２７の抵抗体により、エネルギーの損失が発生し発熱が大きい。
また同時に電流を適度にしぼるためには、数μｍ〜数十μｍ程度の膜厚にする必要があり、製造中に薄膜の剥離などの問題が生じるため、使用できる材料に関して制限が生じる。
そこで、Ｔａ２Ｏ５やＳｉＯ２、などの絶縁物を数十ｎｍ〜数μｍの厚さの薄膜に蒸着して形成し、この膜を通して電流を流すことが検討された。（非特許文献２，３）
このようにしてかなり高輝度に発光する直流ＥＬ素子が作れるようになったのであるが、素子の安定性と寿命の点について、まだ実用的なレベルまでは到達していない。
【０００６】
また、絶縁物の中に金属不純物を分散させ抵抗体層として導入し、この不純物レベルを通して電流を流すことにより、安定化を計ったものも提案されている。（特許文献１）
しかしながら、いずれの方法も素子自体、電気的に弱く、安定性と寿命に問題がある。
【０００７】
一方、有機ＥＬ素子と同様の発光原理を利用した無機ＥＬ素子の発明がある。（特許文献２）
この発明の素子は直流の電源で駆動でき、正電極から電荷輸送層を通して酸化物発光層中に正孔を注入し、また負電極からは電子注入層を通して電子を注入し、発光層内で正孔と電子を再結合させることによって発光を得ている。
【０００８】
また、別に薄膜ＥＬ素子で透明電極と金属の電極で蛍光体を挟み直接電極から電子を注入することにより、蛍光体内で正孔と再結合させ発光を得ているものがある。（特許文献３，４）
この特許文献３，４に開示される素子は、直流の電源で駆動することのできる無機ＥＬ素子であり、電荷注入型のＥＬ素子である。電子と正孔を蛍光体内部に注入することによって再結合させ発光を得ている。これらのタイプの素子（特許文献２と特許文献３，４）は蛍光体として再結合型の蛍光体を使用し、蛍光体内部の不純物レベルを介しての再結合発光を利用している。
【０００９】
分散型直流駆動の無機ＥＬ素子で、硫化亜鉛を母体とした蛍光体に金属の粉末を分散混入し、２つの電極で挟んだ素子も提案された。（特許文献５）
この特許文献５に開示される素子は電極から蛍光体の粉末に直接電荷を注入する素子で、基本的には従来から存在する分散型ＥＬ素子であり、薄膜型ＥＬ素子とは本質的に異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−７４５７２号公報
【特許文献２】特開２００６−４６５８号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３２２０号公報
【特許文献４】特開２００７−１２３２２１号公報
【特許文献５】特開２００８−７７５５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】M. Higton: Digest of 1984 SID InternationalSymposium (1984) 29
【非特許文献２】H. Matsumoto et al.: Jpn J. Appl Phys. l7 (1978)1543
【非特許文献３】J. I. Pankove: J. Lumin. 40&41 (1988) 97
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように薄膜無機ＥＬ素子における交流での発光は１サイクル中で２回の発光を起こし、連続したものではなく交流での駆動のため、外部回路が複雑になる。また、交流における１サイクルで２回の発光であるがゆえに高い発光効率が得られないという点がある。
このＥＬの現象を連続して起こさせることができれば、より強い発光が得られる可能性を秘めている。そこで定常的な発光を得るためには、ＥＬ発光素子を直流の電源で駆動し、常時、蛍光体内に電子を供給し続ける必要がある。
【００１３】
本発明はかかる従来の課題を解決すべく、安定した強い発光を可能とし、直流電源で駆動できる衝突励起型の無機ＥＬ素子とその素子を利用した無機ＥＬ発光装置と発光方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明である無機エレクトロルミネッセンス素子は、
絶縁性のガラス基板上に形成され陰極となる第１の電極と、この第１の電極に対向して配置され陽極となる第２電極との間に無機物からなる蛍光体層を挟んだ構造の無機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記第１の電極である陰極と前記蛍光体層との間に、無機物の半導体材料で構成されたＮ型半導体とＰ型半導体をＮＰＮ型に接合した半導体構造を有することを特徴とするものである。
上記構成の無機エレクトロルミネッセンス素子においては、陰極側のＮ型半導体とＰ型半導体のいわゆるＰＮ接合に順方向電圧を加え、Ｐ型半導体の内部に電子を注入する作用を有する。また、陽極側のＮ型半導体と先のＰ型半導体によって構成されるＰＮ接合を逆バイアスとすることで空乏層を形成させて電子を加速させる作用を有する。蛍光体層は、この加速された電子の衝突を受けて励起され発光する作用を有する。
【００１５】
次に、請求項２に記載の発明である無機エレクトロルミネッセンス素子は、請求項１に記載の発明において、前記蛍光体層は、前記Ｎ型半導体材料中に発光中心又は蛍光物質を分散、混在させた膜によって形成されるものである。
このように構成される無機エレクトロルミネッセンス素子においては、請求項１に記載の発明と同様の作用を有する。
【００１６】
請求項３に記載の発明である無機エレクトロルミネッセンス素子は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記ＮＰＮ型に接合した半導体構造における陰極側のＮ型半導体の材料がＺｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃｄ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｇｄの酸化物、硫化物、リン化物、窒化物、セレン化物もしくはこれらの混合物のいずれかから構成されるものである。
このように構成される無機エレクトロルミネッセンス素子においても請求項１と同様の作用を有する。
【００１７】
請求項４に記載の発明である無機エレクトロルミネッセンス素子は、請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記ＮＰＮ型に接合した半導体構造において中間に存在するＰ型半導体の材料がＮｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｓｎ，Ａｌの酸化物、硫化物、セレン化物もしくはこれらの混合物のいずれかから構成されるものである。
このように構成される無機エレクトロルミネッセンス素子においても請求項１と同様の作用を有する。
【００１８】
さらに、請求項５に記載される発明である無機エレクトロルミネッセンス素子は、請求項1乃至請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記ＮＰＮ型に接合した半導体構造における蛍光体と隣接するＮ型半導体の材料がＺｎ，Ｂａ，Ｓｒ、Ｃｄ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｇｄの酸化物、硫化物、リン化物、窒化物、セレン化物もしくはこれらの混合物であるものである。
このように構成される無機エレクトロルミネッセンス素子においても請求項１と同様の作用を有する。
【００１９】
請求項６に記載される発明である無機エレクトロルミネッセンス発光装置は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の無機エレクトロルミネッセンス素子と、これを駆動する直流電源と、を有するものである。
このように構成される無機エレクトロルミネッセンス発光装置においては、請求項１に記載される無機エレクトロルミネッセンス素子と同様の作用を有し、さらに、直流電源が電子を供給することで無機エレクトロルミネッセンス素子を発光させるという作用を有する。
請求項７に記載される発明である無機エレクトロルミネッセンス素子の発光方法は、直流駆動の無機エレクトロルミネッセンス素子の発光方法であって、前記無機エレクトロルミネッセンス素子の内部に、第１及び第２のＮ型半導体とＰ型半導体を用いてＮＰＮ型の三層構造を作成し、このＮＰＮ型の三層構造において陰極側の前記第１のＮ型半導体とＰ型半導体から構成されるＰＮ接合部に順方向電圧を印加することで前記Ｐ型半導体内に電子を注入し、さらに前記Ｐ型半導体と前記第２のＮ型半導体とで構成されるＰＮ接合部を逆バイアスすることで、このＰＮ接合部に空乏層を形成させ、この空乏層の部分の電場を利用し、前記Ｐ型半導体を通し注入された電子を加速して、前記第２のＮ型半導体に隣接する蛍光体層に分散、混在させた発光中心又は蛍光物質に衝突、発光させることを特徴とするものである。
このように構成される無機エレクトロルミネッセンス素子の発光方法においては、請求項１、２に記載される発明と同様の作用を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の無機エレクトロルミネッセンス素子及びその素子を用いた発光装置と発光方法においては、直流電源に接続されても、ＮＰＮ型に接合した半導体構造を備えることで電子を加速し、蛍光体層を励起して発光させることが可能である。また、無機物からなる材料を採用することで、無機エレクトロルミネッセンス素子及び無機エレクトロルミネッセンス発光装置の長寿命化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子と無機エレクトロルミネッセンス発光装置を示す断面構造図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子における非動作時のエネルギーバンド概念図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子における動作時のエネルギーバンド概念図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態（実施例１）に係る無機エレクトロルミネッセンス素子と無機エレクトロルミネッセンス発光装置の断面構造図である。
【図５】本発明の実施例２に係る無機エレクトロルミネッセンス素子と無機エレクトロルミネッセンス発光装置の断面構造図である。
【図６】本発明の実施例３に係る無機エレクトロルミネッセンス素子と無機エレクトロルミネッセンス発光装置の断面構成図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子の代表的な印加電圧−発光輝度特性を示すグラフである。
【図８】実用化されている従来の交流駆動薄膜ＥＬ素子の断面構造図である。
【図９】従来の直流駆動薄膜ＥＬ素子の断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る無機エレクトロルミネッセンス素子、その素子を用いた発光装置と発光方法の第１の実施の形態を、図１を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子とそれを採用した無機エレクトロルミネッセンス発光装置の構成図である。図１において、無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ａは、ガラス基板３上に設けられた無機エレクトロルミネッセンス素子１ａとこれに接続される直流電源１０を備えている。
無機エレクトロルミネッセンス素子１ａは、ガラス基板３上に設けられる下部透明電極４と、この下部透明電極４の上面に設置される蛍光体層５と、この蛍光体層５の上面に構成される加速層７（Ｎ型半導体層）、Ｐ型半導体層８及びＮ型半導体層９及びこのＮ型半導体層９の上面に形成される上部背面電極６からなっている。
さらに、無機エレクトロルミネッセンス素子１ａの下部透明電極４と上部背面電極６には直流電源１０が接続されており、下部透明電極４、上部背面電極６に直流電源１０の陽極、陰極がそれぞれ接続されている。
【００２３】
図１に示される無機エレクトロルミネッセンス素子１ａにおいては、この電界発光素子の内部に加速層７、Ｐ型半導体層８及びＮ型半導体層９でＮＰＮ接合になる構造を有し、その下部に蛍光体物質を蒸着して蛍光体層５を形成した電界発光素子を作る。この構造を利用して、直流電源１０の陰極側のＮ型半導体層９とＰ型半導体層８によるＰＮ接合に順方向電圧を加え、Ｐ型半導体層８の内部に上部背面電極６（陰極）からの電子を注入する。さらにＰ型半導体層８とＮ型半導体である加速層７によって形成されているＰＮ接合部を、逆バイアスすることにより、このＰＮ接合部に広がる空乏層の電場を利用して、電子を加速し、蛍光体層５の発光中心または蛍光体に衝突させ、発光１１を得るものである。
本願発明は蛍光体物質へ電子の注入の方法と、電子の加速の方法を検討することによって、新しい構造を有する発光素子を提供することができた。
【００２４】
無機エレクトロルミネッセンス素子１ａの構造は、図１のように下部透明電極４が予め形成されているガラス基板３上に蛍光体を１００ｎｍ〜１０μｍ蒸着して蛍光体層５を構成させる。この膜の上面に蛍光体層５の蛍光体と同一の母体物質で、純粋な母体材料を追加形成し、Ｎ型の半導体の加速層７として１００ｎｍ〜１０μｍの厚さに作る。
次に、Ｐ型半導体物質を１０ｎｍ〜１μｍに蒸着してＰ型半導体層８を形成し、加速層７の母体材料との間でＰＮ接合を構成させる。さらに、この上にＮ型半導体物質を１００ｎｍ〜１０μｍに蒸着してＮ型半導体層９として、加速層７、Ｐ型半導体層８及びＮ型半導体層９でＮＰＮ型の構造とする。最後に上部背面電極６を真空蒸着して無機エレクトロルミネッセンス素子１ａは完成する。これが本願発明に係る実施の形態の基本的な形である。
【００２５】
一般的に化合物半導体である蛍光体物質は、薄膜に形成した場合にＮ型の半導体の性質を発現するようになり、このため蛍光体と同一の母体の薄膜はＮ型の半導体（加速層７）となり形成される。この結果、次に蒸着される上面のＰ型半導体層８と、Ｎ型の母体の薄膜（加速層７）との間でＰＮ接合が形成されることになる。
このＰＮ接合の部分を逆バイアスすると、この加速層７の部分に空乏層が広がる。この状態の所に電子を注入し、内部電場である空乏層を利用して電子を加速、蛍光体層５内に含まれる発光中心に衝突させることによって発光１１が得られる。
そこで、空乏層への電子の注入の方法は、前述のＰ型半導体層８とその上にあるＮ型半導体層９とで形成されたＰＮ接合の部分に、順方向の電圧を印加すると順方向電流が流れ、Ｐ型半導体層８内に電子を注入できる。この電子はＰ型半導体層８内を拡散し、その結果、逆バイアス空乏層の内部電場内に電子を注入することができる。そして、電子は内部電場で加速され、蛍光体層５の発光中心に衝突し励起することによって、発光に到る。上部背面電極６に負電位を、下部透明電極４に正電位の電圧を印加すると発光が得られる。
ＰＮ接合については、従来から数多くの研究がなされてきた。ＰＮ接合の特性を積極的に直流ＥＬ素子に利用し、定常的に動作するようにしたものが、本発明の本質である。
この発明によって、安定した、寿命の永い発光が得られるようになり、さらに発光の効率を従来の方法より一桁以上向上させることができ、安定した明るい発光を得ることができる。
【００２６】
図２は本実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ａに外部電圧を印加していない状態の時のエネルギーバンド概念図である。図面左側が陰極（カソード）１２で右側が陽極（アノード）１３になっており、その間に、発光中心１５を含有する蛍光体層５、加速層７、Ｐ型半導体層８及びＮ型半導体層９が構成されている。外部からの印加電圧がゼロのためフェルミ準位ＥＦは全体を通して一定となり、電子１４の存在は熱平衡状態になる。
【００２７】
図３は本実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ａにおける動作時のエネルギーバンド概念図である。図面左側が陰極（カソード）１２、右側が陽極（アノード）１３で、無機エレクトロルミネッセンス素子１ａ全体から見ると半導体がＮＰＮ型の構造になっている。陰極側のＮ型半導体層９と次のＰ型半導体層８でＰＮ接合が構成されており、外部からの印加電圧ＶＢに対して順方向のバイアスとなる。この順方向の電流によって陰極１２からの電子１４はＮ型半導体層９を通してＰ型半導体層８内に注入され、Ｐ型半導体層８内に拡散していく。その結果、次にあるＮ型半導体である加速層７に注入される電子１４の量を電界のバランスによって適度に制限し、発光に必要な量にコントロールすることができる。
また、次に存在するＰＮ接合の部分（Ｐ型半導体層８及び加速層７）は外部電圧に対して逆バイアスとなり、この部分に外部電圧ＶＢの大部分が加わることになる。その結果、この接合の部分に空乏層が広がる。Ｐ型半導体層８を通して注入された電子１４は、この空乏層内で加速されホットエレクトロンとして生成される。この高いエネルギーを得た電子１４が蛍光体層５内にある発光中心１５に衝突し、励起し、発光１１が得られる。これが直流発光のメカニズムである。
【００２８】
このように外部から加えられた電場からのエネルギーの大半が空乏層に加えられることによって電子１４に効率よくエネルギーを伝達でき、発光の効率が高くなる。
本実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子は、ブラウン管の発光の機構を半導体の固体物質中で実現したもので、電子１４の注入と加速、衝突、そして発光中心の励起、発光という工程を行うものである。
【００２９】
本発明の実用的な構造に係る第２の実施の形態としての無機エレクトロルミネッセンス素子、それを採用した発光装置と発光方法を、図４を参照しながら説明する。
図４において、本実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂ及び無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｂでは、まずガラス基板３上に下部透明電極４を作る。これは導電性のあるもので、光を外部に取り出すため、上部か下部のいずれか一方の電極を透明にする必要があるのである。この下部透明電極４を構成する材料としては、ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ２，ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＺｎＳｎＯ３，ＡｇＩｎＯ２，Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５，Ｚｎ２Ｇａ２Ｏ４などの材料が考えられる。これらの材料自体は既に知られている材料であり、いずれも透明な電極を構成する際の材料としては本願の出願時に広く一般的に知られているものであるので、特に本願実施の形態において、それぞれを作成してその作用、効果に関する実証は不要と考えられ、実施していない。
【００３０】
次に、Ｎ型半導体層９としては、薄膜にした場合にＮ型を示す半導体で、無機物の化合物を蒸着したとき、Ｎ型の半導体の性質を示すものが考えられる。具体的には、Ｚｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃｄ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｇｄなどの酸化物、硫化物、リン化物、窒化物、セレン化物もしくはこれらの混合物、例えばＺｎＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，ＣｄＯ，Ｉｎ２Ｏ３，Ｇａ２Ｏ，ＳｎＯ２，ＴｉＯ，ＺｎＳ，ＢａＳ，ＳｒＳ，ＣｄＳ，ＧｄＩｎ２Ｏ４，ＧａＩｎＯ３，ＺｎＳｎＯ４，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＳｒＳｅ，ＺｎＳｅ，ＧａＡｌＳ，ＭｇＡｌ２Ｓ４，ＭｇＧａ２Ｓ４，ＳｒＡｌ２Ｓ４，ＳｒＧａ２Ｓ４，ＢａＡｌ２Ｓ４，ＢａＩｎ２Ｓ４などの材料で薄膜に形成する。これらのＮ型半導体層９の材料も本願の出願時に広く一般的に知られているものであるので、特に本願実施の形態において、それぞれを作成してその作用、効果に関する実証は不要と考えられ、実施していない。
【００３１】
また、ＮＰＮ型の層の中間にあるＰ型半導体層８はＮｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｌａ，Ｐｒ，Ａｌ，Ｇａ，Ｓｒ，Ｓｎなどの酸化物、硫化物、セレン化物もしくはこれらの混合物で、薄膜化した場合Ｐ型の性質を示す半導体が対象となる。例えばＮｉＯ，ＮｉＯ：Ｌｉ，ＭｎＯ，Ｃｒ２Ｏ３，ＣｏＯ，Ａｇ２Ｏ，Ｐｒ２Ｏ３，ＳｎＯ，Ｃｕ２Ｏ，ＣｕＩｎＯ２，ＳｒＣｕ２Ｏ２，ＣｕＡｌＯ２，ＣｕＧａＯ２，ＬａＣｕＯＳ，ＬａＣｕＯＳｅなどが利用できる。これらのＰ型半導体層８の材料も本願の出願時に広く一般的に知られているものであるので、特に本願実施の形態において、それぞれを作成してその作用、効果に関する実証は不要と考えられ、実施していない。
【００３２】
次のＮ型半導体である加速層７は蛍光体層５に追加して構成するもので、蛍光体層５の母体材料と同じ材料にする。この部分を利用して電子を加速するための加速層７を形成する。前記のＮ型半導体層９の材料として列記したものが利用できる。具体的には無機物の化合物を蒸着したとき、Ｎ型の半導体を示すもので、Ｚｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃｄ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｇｄなどの酸化物、硫化物、リン化物、窒化物、セレン化物もしくはこれらの混合物、例えばＺｎＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，ＣｄＯ，Ｉｎ２Ｏ３，Ｇａ２Ｏ，ＳｎＯ２，ＴｉＯ，ＺｎＳ，ＢａＳ，ＳｒＳ，ＣｄＳ，ＧｄＩｎ２Ｏ４，ＧａＩｎＯ３，ＺｎＳｎＯ４，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＳｒＳｅ，ＺｎＳｅ，ＧａＡｌＳ，ＭｇＡｌ２Ｓ４，ＭｇＧａ２Ｓ４，ＳｒＡｌ２Ｓ４，ＳｒＧａ２Ｓ４，ＢａＡｌ２Ｓ４，ＢａＩｎ２Ｓ４などが利用できる。この実証についても実施していないが、その理由は既に述べたとおりである。
【００３３】
この加速層７はＰ型半導体層８を通して注入された電子１４を効率よく加速するために、できる限り欠陥の少ない結晶性のよいＮ型の半導体薄膜にする必要がある。この部分が電子１４の加速層として働き、前記のＰ型半導体層８と、このＮ型半導体層（加速層７）で形成された内部電場によって、Ｐ型半導体層８を通して注入された電子１４が、効率よく加速され、大きいエネルギーが電子に伝えられるのである。
【００３４】
次に、蛍光体層５は加速用のＮ型半導体（加速層７）と同じ物質の中に、蛍光体又は、発光中心１５を微細な形で分散して埋め込む。蛍光体又は発光中心の例としては、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｓｍ、ＺｎＳ：Ｐｒ、ＺｎＳ：Ｄｙ、ＺｎＳ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ｐｒ，Ｉｒ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｍｎ、ＺｎＦ：Ｇｄ、ＺｎＯ：Ｚｎ、ＺｎＯ：Ｓｍ、ＺｎＯ：Ｐｒ、ＺｎＯ：Ｄｙ、ＺｎＯ：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：Ｍｎ、ＧａＯ３：Ｅｕ、Ｇａ２Ｏ３：Ｍｎ、Ｙ２ＧｅＯ５：Ｍｎ、ＣａＧａ２Ｏ４：Ｍｎ、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ２Ｓ４：Ｅｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ、ＺｎＭｇＳ：Ｍｎ、ＧａＳ：Ｅｕ、ＴｂＦ３、ＳｍＦ３、ＰｒＦ３、ＭｎＦ３などの蛍光体物質である。蛍光体層として、Ｎ型半導体中に、これらの発光中心や蛍光体を分散させる。これらは一例であり、ここに列挙した蛍光体だけではなく、目的とする発光色を得るためには、その他の蛍光体も対象となる。なお、上記のような蛍光体の組成式では、コロン（：）の左側に記載されるものが結晶母体（母体材料）であり、右側に記載されるものが付活剤である。
【００３５】
最後に上部につける上部背面電極６として、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｔなどの金属を蒸着し、無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂは完成する。
ここで、無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂ全体を透明に仕上げる場合には、上部背面電極６を金属の代わりに、透明物質ＩＴＯ，ＺｎＯ，Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５，Ｉｎ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＳｎＯ２などにすればよく、高コントラストの素子に仕上げる場合にはＭｏ、Ｔａ、Ｔｉなどの酸化物を蒸着して、上部背面電極６を黒色の電極に仕上げればよい。
このようにして作られた無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂの上部背面電極６に正の電位を、そして下部透明電極４に負電位を加えると蛍光体層５からの発光が得られる。
【００３６】
本発明による無機エレクトロルミネッセンス素子とそれを採用した発光装置と発光方法は直流電源で発光が得られるため、駆動装置が簡単になり、ディスプレー装置など全体の価格が安く製造できる。
また、無機エレクトロルミネッセンス素子全体が固体で構成されており、機械的な外力に対して強い。さらに、この無機エレクトロルミネッセンス素子はすべて無機物で構成されているため有機ＥＬ素子に比べ、周囲の温度が高くても正常に動作する。
高価な材料が使用されていないため材料費が安くおさえられ、無機エレクトロルミネッセンス素子の製造においても特殊な装置や特別な技術は必要なく、製造設備が安価であり、既知の製造技術で作成できる。
この自発光型の無機エレクトロルミネッセンス素子は全体の厚さが数十μｍしかなく、薄い表示装置が作れるうえに、表示装置として利用する場合は、液晶のようにバックライト、偏光板などが必要なく、構造が簡単で価格的に有利である。
発光の原理が衝突励起型の無機ＥＬ素子のため、発光中心や蛍光体の物質を検討することによって、発光色を適当に調整することができる。
以上のように本発明の無機エレクトロルミネッセンス素子は数多くの利点を有しており、将来はディスプレー装置だけでなく、照明などに、特に平面の光源として活用できる可能性を秘めている。
以上説明したとおり、本実施の形態に係る無機エレクトロルミネッセンス素子及び無機エレクトロルミネッセンス発光装置においては、無機エレクトロルミネッセンス素子の内部に半導体のＮＰＮ構造を導入することで直流電源で駆動できる発光効率のよい自発光素子を提供することができる。
また、現在、数多く存在する自明の蛍光体を発光材料に利用することができ、希望する発光色を自由にコントロールすることが可能となる。
以下、本願発明者が実際に試作した無機エレクトロルミネッセンス素子とそれを採用した発光装置と発光方法について実施例１乃至実施例３として説明する。
【実施例１】
【００３７】
本発明の実施例１に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂ、無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｂ及び無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂを用いた発光方法について、先に説明した図４を参照しながら説明する。
図４に示すように、無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂの下部透明電極４のＩＴＯ付ガラス基板３上にＮ型半導体層９として、ＺｎＯの層を形成する。この層はＺｎＯの焼結ペレットを用いてイオンプレーティング蒸着法（以下ＩＰ法という）を利用し微量の酸素雰囲気中で作ったものである。
次のＰ型半導体層８は、ＣｕとＡｌの金属ターゲットを利用し、アルゴンと酸素雰囲気中においてアクティブスパッタリング法でＣｕＡｌＯ２を形成したものである。
加速層７としてのＮ型半導体層は、純粋なＺｎＳの焼結ペレットを電子ビーム蒸着法（以下ＥＢ法という）で蒸着する。そして、この途中から発光中心としてＴｂＦ３のペレットを別のソース源から同時蒸着した。ＺｎＳ層の一部に発光中心であるＴｂＦ３を分散混在させて、この部分を蛍光体層５として使用する。そして、最上部にＡｌ金属を真空蒸着して上部背面電極６とした。
このように作られた無機エレクトロルミネッセンス素子１ｂを採用する無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｂは、Ａｌ電極（上部背面電極６）に正電圧を、下部のＩＴＯ電極（下部透明電極４）に負電圧を印加すると３０Ｖ程度で緑色の発光が得られた。
【実施例２】
【００３８】
次に、本発明の実施例２に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ｄ、無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｄ及び無機エレクトロルミネッセンス素子１ｄを用いた発光方法について、図５を参照しながら説明する。本実施例に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ｄは、いわゆるトップエミッション型の素子である。
図５に示されるように、本実施例における無機エレクトロルミネッセンス素子１ｄは、石英のガラス基板３上に、Ｔｉの金属ターゲットを用い下部金属電極１６をＤＣスパッタリング法で作った。
ここでは、蛍光体の高温での熱処理が必要なため、高融点物質Ｔｉを使用したが、他にＷ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄなども利用できる。
次にＺｎＳの焼結ターゲットを用い、微量のＨ２Ｓガス雰囲気中でのイオンプレーティング法（ＩＰ法）を利用してＺｎＳのＮ型半導体層９を形成する。
この上にＰ型半導体層８として、ＮｉＯとＬｉ２Ｏの焼結ターゲットを用い、ＡｒとＯ２の混合ガス中ＲＦマグネトロンスパッタリング法でＮｉＯ：Ｌｉの薄膜を作製した。
Ｎ型の半導体の加速層７と蛍光体層５は、ＺｎＳとＺｎＳ：ＴｂＦ３の焼結ペレットを２種類用意し、まず微量のＨ２Ｓガス雰囲気中、ＩＰ法を利用してＺｎＳのペレットを用いて純粋なＺｎＳの薄膜を加速層７として蒸着する。この工程の後、ＺｎＳ：ＴｂＦ３のペレットに切り換え蛍光体層５を作った。蒸着が終了した時点で真空槽内を高真空に引き、４５０℃で１５分間熱処理を行った。
最後にＺｎＯとＡｌ２Ｏ３の焼結ターゲットを用い、微量の酸素雰囲気中、上部透明電極１７として、ＺｎＯ：Ａｌの薄膜の形成をＩＰ法で行い、トップエミッション型の無機ＥＬ素子１ｄは完成する。
このように作られた無機エレクトロルミネッセンス素子１ｄを採用する無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｄの場合は、上部に光を取り出すために背面電極（上部透明電極１７）は透明である。４０Ｖ程度の直流電圧を下部金属電極１６にマイナス、上部透明電極１７にプラスを印加すると緑色の発光が得られた。
【実施例３】
【００３９】
最後に、本発明の実施例３に係る無機エレクトロルミネッセンス素子１ｃ、無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｃ及び無機エレクトロルミネッセンス素子１ｃを用いた発光方法について、図６を参照しながら説明する。
両方の電極が金属の場合では、内部の発光を外部に取り出すため、図６のように横型の無機エレクトロルミネッセンス素子１ｃに仕上げる必要がある。
まず、ガラス基板３上に、Ｚｎの金属ターゲットを使用し、ＡｒとＯ２の混合ガス雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングを行い、ＺｎＯの薄膜を形成してＮ型半導体層９とする。
次にＰ型半導体層８はＳｒＯとＣｕ２Ｏの焼結ターゲットを用いてＲＦマグネトロンスパッタリング法を利用しＳｒＣｕ２Ｏ２の膜を作った。注入層（上部背面電極６ｂと接している部分（符号２９）を特に注入層と呼ぶ）と加速層７の部分は純粋なＺｎＳのペレットを使いＥＢ法で形成した。蛍光体層５は金属製のマスクで一部被い、ＺｎＳ：Ｍｎのペレットを用いて局部的にＥＢ法で蒸着して成膜した。この後、一旦真空装置から取り出し、ＲＴＡ装置を使用して、Ａｒ雰囲気中４００℃１０分間熱処理を行った。
この上に上部背面電極６ａ，６ｂとして、Ａｌを抵抗加熱蒸着法で２カ所蒸着する。この無機エレクトロルミネッセンス素子１ｃの場合、ＺｎＳ：Ｍｎ蛍光体層５の膜が存在する側が正電極で、純粋なＺｎＳの膜と接する側が負電極となる。無機エレクトロルミネッセンス素子１ｃを採用する無機エレクトロルミネッセンス発光装置２ｃに対して直流電圧を１００Ｖ程度印加すると、この素子から橙色の発光が得られた。
【００４０】
なお、上述の３つの実施例においては、Ｎ型半導体層９として、ＺｎＯ、ＺｎＳを用い、Ｐ型半導体層８としては、ＣｕＡｌＯ２、ＮｉＯ：Ｌｉ、ＳｒＣｕ２Ｏを用い、加速層７としてのＮ型半導体層は、ＺｎＳを用いている。これらは、先に述べたすべての材料（物質）のうち一部であるものの、先の材料（物質）は、いずれも個々には知られた材料（物質）であり、それらを組み合わせて実施したとしても十分に成立性があるものである。
【００４１】
図７は実施例１に係る無機エレクトロルミネッセンス素子の直流印加電圧に対する発光輝度特性である。
この特性は、本発明の実施例に係る無機エレクトロルミネッセンス素子に安定化電源で直流電圧を印加し、株式会社トプコンテクノハウス社製の輝度計（ＳＲ−３）で発光を測定した。
無機エレクトロルミネッセンス素子を構成する材料や組成、各層の膜厚によって発光開始電圧や最大発光強度は変化するが、この図７では本発明の実施例に係る無機エレクトロルミネッセンスの代表的な特性を示した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上説明したように、本発明の請求項１乃至請求項７に記載された発明は、無機エレクトロルミネッセンス素子及び無機エレクトロルミネッセンス発光装置と発光方法として、液晶のバックライト装置や、携帯電話やパソコン、あるいはテレビやモニターに用いられるディスプレー装置をはじめ、広く産業用や一般家庭用の照明装置として利用される可能性がある。また、特に、長寿命であること無機物を採用したエレクトロルミネッセンス素子、発光装置であることから交換頻度を下げる必要がある過酷な環境条件下での産業上の利用の可能性がある。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ〜１ｄ…無機エレクトロルミネッセンス素子  ２ａ〜２ｄ…無機エレクトロルミネッセンス発光装置  ３…ガラス基板  ４…下部透明電極  ５…蛍光体層  ６，６ａ，６ｂ…上部背面電極  ７…加速層（Ｎ型半導体層）  ８…Ｐ型半導体層  ９…Ｎ型半導体層  １０…直流電源  １１…発光  １２…陰極（カソード）  １３…陽極（アノード）  １４…電子  １５…発光中心  １６…下部金属電極  １７…上部透明電極  ２１…ガラス基板  ２２…下部透明電極  ２３…蛍光体層  ２４…上部背面電極  ２５…絶縁層  ２６…交流電源  ２７…安定化層  ２８…直流電源  ２９…注入層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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